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Dans l'univers des automatismes, des machines-outils et des motorisations de portes industrielles, les moteurs brushless (ou moteurs sans balais) se sont imposés comme un standard incontournable. Cet article explore en détail leur fonctionnement, leur alimentation et leurs applications, en mettant en lumière les avantages et les défis associés à cette technologie.
J'aime bien comprendre ce que je fais et avoir l'impression que je maîtrise les technologies que j'utilise. Après une période d'interruption j'ai repris avec l'hélicoptère électrique. Le choix des moteurs était plus étendu, les brushless apparaissaient, les lipo commençaient à se rependre même si la majorité volait encore en NicD ou NimH. J'ai donc décidé de m'intéresser à la théorie de la propulsion électrique afin de mieux choisir mon matériel. Bien entendu et même si cet article s’appuie sur des calculs initialement effectués sur des moteurs montés sur un hélicoptère, ce qui suit s’applique également parfaitement aux moteurs d’avions.
Le mot “brushless” signifie littéralement “sans balais”. À la différence d’un moteur à courant continu classique (dit “brushed”), ce type de moteur ne comporte aucun contact mécanique entre le rotor et le stator.
Les moteurs sans balais à courant continu dits brushless ou BLDC (Brush Less DC motors), ont permis de créer d’importantes nouvelles applications, telles que les drones, les trottinettes électriques ou les véhicules à moteurs électriques. Mais, à l’inverse des moteurs à courant continu munis de charbons, leur intégration dans une application est assez complexe. Ainsi, comment se controle un moteur BLDC ?
Un moteur brushless est un type de moteur électrique qui utilise un champ magnétique rotatif pour produire un mouvement. Contrairement aux moteurs à courant continu (DC) traditionnels, les moteurs brushless n'ont pas de balais qui s'usent, ce qui augmente leur durée de vie et réduit les besoins en maintenance.
Le cœur du fonctionnement repose sur un système d’électroaimants commandés par un variateur. Les moteurs brushless fonctionnent grâce à un contrôleur électronique qui gère le courant et la direction du champ magnétique. Cela permet de contrôler avec précision la vitesse et le couple du moteur, rendant ces moteurs idéaux pour une variété d'applications.
Les moteurs brushless (BLDC pour Brushless Direct Current) sont des moteurs synchrones à aimants permanents. Ils se composent d'un stator fixe comportant des bobines triphasées, et d'un rotor mobile sur lequel sont placés des aimants permanents. Contrairement aux moteurs à balais, le moteur brushless ne possède pas de collecteur ni de brosse mécanique.
Il existe deux grandes familles de moteurs brushless : les moteurs à onde trapézoïdale (souvent appelés BLDC au sens strict) et les moteurs à onde sinusoïdale, plus précisément désignés sous le terme PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).
Un moteur brushless possède typiquement trois connexions. Dans beaucoup de publications, elles sont nommées U, V et W. Le nombre de pôles nord/sud du rotor, appelés paires de pôles est un aspect important de la conception de ce moteur. La plupart des moteurs possèdent deux paires de pôles (quatre pôles), ce nombre peut être de trois ou quatre, ou seulement un (deux pôles). Moins il y a de pôles, plus le moteur peut tourner rapidement, mais à basse vitesse, le couple sera plus faible que s’il y a davantage de paires de pôles.
Un moteur BLDC à deux paires de pôles (4 pôles).
Selon la documentation, les enroulements du stator sont connectés dans une configuration Wye, Y ou étoile, chacun de ces termes désignant la même chose. Certains moteurs possèdent une quatrième connexion reliée au point de liaison commun aux trois enroulements.
Il est important de noter qu’un nombre conséquent de conceptions différentes et de matériaux sont utilisés dans les moteurs BLDC. Il faut donc considérer les exemples précédents uniquement pour information.
Le rotor étant la partie possédant le champ magnétique constant, l’ingénieur concepteur doit créer un champ magnétique rotatif qui sera suivi par le rotor. Cela signifie que les enroulements du stator doivent être alimentés dans un ordre spécifique. Chaque enroulement du stator doit être alimenté pour présenter un pôle nord, puis un pôle sud.
Le rotor (au centre) suit le champ magnétique généré par le stator en six étapes à l’aide des liaisons U, V et W. À gauche, selon la configuration Wye, le courant circule dans le moteur BLDC, comme indiqué. À droite, la figure montre les différentes phases de liaison des enroulements à l’alimentation, à la masse ou flottante.
Pour réaliser cette fonction, un circuit en pont triphasé est utilisé. Il est constitué de six transistors MOSFET, un microcontrôleur ou un circuit spécialisé pour le pilotage des moteurs BDLC les contrôle. Comme pour les ponts en H pilotant les moteurs à courant continu à balais, il y a un risque de court-circuit important. Du fait de la faible résistance des enroulements, maintenir un enroulement alimenté pendant un temps relativement important est également risqué.
Diagramme simplifié d’un circuit montrant les phases de commutation d’un moteur BDLC piloté par un pont triphasé.
Une rotation électrique répondant à ces six phases ne correspond pas toujours à une rotation mécanique ! Les rotations électrique et mécanique sont identiques si le moteur possède une seule paire de pôles comme dans le schéma précédent. Une rotation électrique est égale à une demi rotation mécanique, si le moteur possède deux paires de pôles. Avec quatre paires de pôles, on passe à une rotation mécanique de 90°. Il est important de prendre cela en considération lors de l’écriture du logiciel.
Dès lors, quelle paire de bobinages devez-vous alimenter en premier ? Vous avez une chance sur six de le déterminer correctement. Pour résoudre ce point, de nombreux moteurs possèdent un capteur de position angulaire sur le rotor, ou un emplacement prévu pour en ajouter un. Pour un coût très modique, les capteurs à effet Hall permettent une précision de 60°, voire meilleure (360° ÷ 6 dans le cas d’un moteur à une seule paire de pôles). Pour un coût plus important, un résolveur de position peut offrir une précision inférieure au degré dans la détermination de l’angle d’orientation d’un rotor.
Revenons au circuit du pont triphasé, les grilles (gates) des trois MOSFET supérieurs sont habituellement reliées à des broches du microcontrôleur capables de produire des impulsions modulées en largeur MLI (ou PWM) en sortie. Pour un rapport cyclique faible, la tension appliquée aux enroulements du stator est faible. En conséquence, le moteur tourne lentement, et en utilisant le signal du capteur à effet Hall, le microcontrôleur pilote les signaux de sortie afin d’implémenter la commutation en six étapes, à la vitesse appropriée.
Le variateur est l'organe central du système d'entraînement brushless. Il transforme une source d'alimentation continue ou alternative (souvent via un redressement préalable) en une alimentation triphasée adaptée au moteur. Un moteur brushless ne peut pas tourner sans cette synchronisation.
Si l'on alimente les bobines sans prendre en compte la position du rotor, on génère des courants inutiles ou contraires, provoquant vibrations, échauffements et perte de couple. Un variateur brushless est constitué de plusieurs blocs fonctionnels essentiels. Le premier est le redresseur d'entrée, qui transforme l'alimentation secteur en tension continue.
L'onduleur, constitué de six transistors de puissance (généralement IGBT ou MOSFET), est l'élément actif chargé de recréer une tension alternative triphasée synthétique. Ces transistors sont commutés très rapidement grâce à des techniques de modulation de largeur d'impulsion (PWM). À cela s'ajoute une carte de commande numérique, souvent basée sur un microcontrôleur ou un DSP (Digital Signal Processor), qui exécute les algorithmes de régulation.
Pour fonctionner, le variateur doit en permanence connaître la position angulaire du rotor. Les moteurs les plus simples sont équipés de capteurs Hall. Ces capteurs magnétiques intégrés dans le stator détectent le passage des pôles du rotor.
Pour des applications de haute précision, on utilise des codeurs incrémentaux ou absolus montés en bout d'arbre. Ces capteurs permettent de connaître la position avec une résolution allant jusqu'à plusieurs milliers de points par tour. Enfin, certaines applications utilisent une commande dite "sensorless". Dans ce cas, le variateur mesure les tensions de retour sur les bobines et les courants d'alimentation pour estimer en temps réel la position du rotor.
Il existe différentes méthodes de commande d'un moteur brushless. La plus simple est la commande trapézoïdale, qui consiste à alimenter deux phases sur trois à la fois, en fonction de la position détectée du rotor. La commande sinusoïdale, quant à elle, est beaucoup plus douce. En injectant des courants sinusoïdaux dans chaque phase, synchronisés avec le rotor, on obtient un couple constant et une réduction significative des vibrations.
Les variateurs brushless modernes embarquent un grand nombre de fonctions supplémentaires. La plupart intègrent des régulateurs PID pour la vitesse ou le couple, avec des paramètres ajustables. Certains modèles haut de gamme offrent la régénération d'énergie : lors d'un freinage, le moteur agit comme un générateur et restitue de l'énergie au réseau ou au bus DC.
La programmation et la surveillance d'un variateur brushless se font via différents moyens. Les variateurs sont également conçus pour dialoguer avec l'environnement industriel.
On pourrait résumer l’intérêt du brushless en quelques mots : performance, durabilité, précision.
Pour alimenter un moteur brushless, il est essentiel de comprendre les exigences en matière d'alimentation électrique. Cela inclut la tension, le courant, et la configuration du système d'alimentation.
Le choix du voltage est crucial, car il détermine la vitesse maximale du moteur. Un moteur brushless est généralement conçu pour fonctionner à une tension spécifique, et dépasser cette tension peut endommager le moteur. Le courant, quant à lui, détermine le couple disponible. Un courant trop faible peut limiter les performances du moteur.
Il est important de configurer correctement l'alimentation pour assurer un fonctionnement optimal. Cela implique le choix d'un ESC approprié, qui doit être capable de gérer la tension et le courant requis par le moteur.
il fonctionne a la base a partir de courant continu au travers d’un ESC (Electronic Speed Controler) qui va transformer une tension de courant continu en une tension triphasée de courant alternatif , cette tension va etre envoyée au moteur (qui a donc 3 fils d’entrées pour les 3 phases) et qui va tourner a une vitesse proportionnelle a la fréquence du courant triphasé reçu.
Tient, au fait, les ordres de grandeur courantes de ces valeurs (pour des brushless) : 100 tours/mn/volt à 3500 tours/mn/volt pour le Kv, 0,5 ampère à 4 ampères pour Io et 0,015 ohm à 0,1 ohm pour Ri.
Le Ri est important, parce que quand on alimente le moteur avec une tension U seulement une partie de cette tension va servir à faire tourner le moteur. Le reste va être perdu en raison de l'effet joule, qui se traduit par un échauffement du moteur : quand une intensité I traverse une résistance R, la chute de tension aux bornes de la résistance est Ur = R*I . Donc, dans le cas de notre moteur, si la tension d'alimentation est U, la tension qui sert vraiment à animer le moteur est U - I * Ri (I étant l'intensité dans le circuit).
Pour une tension donnée, facteurs jouant sur la vitesse de rotation moteur : quand on met du pas sur un hélicoptère la vitesse du moteur chute. Ce qu'on corrige en mettant une courbe de gaz qui a pour effet d'augmenter le % de gaz quand le pas augmente. Cela découle immédiatement de ce qui précède : quand le pas augmente, le couple augmente également, et donc l'intensité. Quand on alimente le moteur avec un pack d'accus un deuxième effet se superpose à celui-ci car quand l'intensité consommée augmente la tension de l'accu baisse.
Pour une tension et une intensité données : c'est le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée. On voit que le rendement maximum dépend uniquement de la tension d'alimentation, de la résistance interne du moteur et de l'intensité à vide. En particulier on remarque que quand la tension augmente le rendement augmente également. On a donc intérêt à utiliser le moteur à la tension la plus élevée possible (pas seulement la tension d'alimentation du contrôleur, mais aussi la tension interne dans le moteur. Augmenter la tension d'alimentation sur un moteur donné est mathématiquement le moyen d'améliorer le rendement.
Si le couple augmente beaucoup, l'intensité va augmenter et la chute de tension dans le moteur va finalement être telle qu'elle sera égale à la tension d'alimentation : le moteur ne tourne plus. L'intensité de blocage ne dépend donc que de U et Ri.
L'installation d'un moteur brushless nécessite des connaissances techniques, notamment sur le câblage et la configuration du contrôleur.
Après avoir connecté le moteur, il est essentiel de configurer le contrôleur. Cela peut impliquer la programmation de la courbe de puissance et de la réponse à la télécommande.
La maintenance d'un moteur brushless est relativement simple, mais quelques précautions doivent être prises pour assurer une longue durée de vie.
Les moteurs brushless ont une large gamme d'applications, allant des modèles réduits aux systèmes industriels.
Les drones utilisent des moteurs brushless pour leur efficacité et leur capacité à maintenir une vitesse constante. Ils sont souvent alimentés par des batteries LiPo pour maximiser le temps de vol.
Dans les véhicules électriques, les moteurs brushless sont utilisés pour leur rendement énergétique et leur capacité à fournir un couple élevé.
Les moteurs brushless sont également couramment utilisés dans les équipements industriels pour leur fiabilité et leur faible coût de maintenance.
Rien n’est parfait, même le brushless.
ATTENTION : l'étude qui suit est une étude théorique, qui ne prends pas en compte les limites physiques du moteur et en particulier l'intensité maximum qu'il peut supporter. Des valeurs calculées ici, comme par exemple la puissance maximum que peut fournir le moteur, ne pourront dans la pratique jamais être atteinte (ou alors pendant un très court instant) car l'intensité correspondante entrainerait une détérioration définitive du moteur. Ri n'est pas non plus vraiment constante, elle varie avec la température du bobinage. Quant à Io qui apparait généralement dans les datasheet comme une constante n'en est pas une, sa valeur dépend en particulier de la vitesse de rotation du moteur.
J'ai trouvé dans un document sur internet disant que Io a trois composantes, la première constante (liée aux frottement des roulements et des balais si il y en a), la 2ème variant avec la vitesse (lié à la résistance de l'air en flux laminaire sur le rotor), le 3ème avec le carré de la vitesse (lié à la résistance de l'air en flux non laminaire sur le rotor). Je n'ai pas creusé le sujet pour savoir si c'est exact, mais j'ai constaté expérimentalement que la relation entre Io et la vitesse de rotation peut être considérée comme linéaire dans les plages de vitesse qui nous interessent. Et j'ai fait des comparaisons de résultats entre les deux approches (Io constante et Io variant avec la vitesse), les écarts sont faibles.
Les moteurs brushless pour portes industrielles sont associés à des systèmes de commande sophistiqués qui offrent une grande flexibilité et des fonctionnalités avancées :
Un moteur brushless bien installé et bien dimensionné fonctionne pendant des années sans intervention. La maintenance se concentre surtout sur :
Les variateurs brushless récents disposent d'outils de diagnostic avancés. Ils permettent de lire en temps réel les courants, tensions, températures, vitesses, alarmes et historiques. Certains sont capables de communiquer leurs données vers un système SCADA, un cloud ou une application mobile.
Le marché des moteurs brushless continue d’évoluer.
| Avantages | Inconvénients |
|---|---|
| Haute efficacité énergétique | Coût initial plus élevé |
| Longue durée de vie | Nécessite un contrôleur électronique |
| Faible maintenance | Sensibilité aux surtensions |
| Fonctionnement silencieux | Complexité d'intégration |
Les variateurs brushless récents disposent d'outils de diagnostic avancés. Ils permettent de lire en temps réel les courants, tensions, températures, vitesses, alarmes et historiques. Certains sont capables de communiquer leurs données vers un système SCADA, un cloud ou une application mobile.
Le variateur de moteur brushless est bien plus qu'un simple convertisseur de courant. Il est le cerveau du système d'entraînement, garant de la performance, de la fiabilité et de l'efficacité énergétique.
tags: #alimentation #moteur #brushless #fonctionnement
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